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摘要 Double Work Spaces CNC Machine Design for Deep Hole Driller By Supervisor: i 對置雙工位數(shù)控缸體孔鉆床設(shè)計 本設(shè)計是根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計一套組合機床系統(tǒng)對汽車制動泵缸體進行深孔加工，由于該課題是工廠實際加工任務(wù)，所以在部件選擇上以能夠在市場上采購到的通用部件為主，以降低加工成本。本設(shè)計主要包括四部分： 第一部分是根據(jù)設(shè)計要求對組合機床進行總體方案設(shè)計，包括加工方式的確定、機床主參數(shù)選擇計算和機床控制系統(tǒng)的選擇。 第二部分是根據(jù)總體方案對組合機床中機械部分進行設(shè)計，包括機床動力頭、數(shù)控滑臺、側(cè)底座和中間底座的選擇計算，工件夾具設(shè)計、計算及校核，并設(shè)計用于夾緊的液壓站系統(tǒng)，完成液壓站原理圖。 第三部分是設(shè)計PLC組合機床控制系統(tǒng)，利用三菱FX2N PLC對機床進行加工控制，并編制實際加工的電氣控制圖。 第四部分是利用機械制圖的基本原理，應(yīng)用CAXA電子圖板對組合機床及夾具進行裝配設(shè)計，并生成二張二維裝配圖紙。 關(guān)鍵詞：深組合機床，PLC，液壓夾具，槍鉆 Abstract Double Work Spaces CNC Machine Design for Deep Hole Driller The design is mainly to design the combined machine tool what machining the deep bore in the brake pump of automobile according the bases of design specification.This design is the fact assignment in manufactory,so the components mainly choose that standardized unit can be purchased in market, in order to reduce production costs.The design is mainly divided into four parts: The first part is a content of total project design of the combined machine tool,including confirming the working method and the main parameter. The second part is design the mechanical part of the combined machine tool according the total project design,including confirming the cutter head,the side base and the middle base,designing the hydraulic grip and the hydraulic system, completing the rationale design of the hydraulic system. The third part is to design the PLC control system for the combined machine tool,make the woking control using the FX2N PLC.Complete the rationale drawing of the hydraulic system. The finally part is to design the assembling drawing for the combined machine tool and the hydraulic grip useing CAXA software according to the rationale of theory of machines,and get two dimensional assembling drawings. Abstract: combined machine tool, PLC, hydraulic grip, gun drill ii 目錄 目錄 目錄 目錄 1 第一章 緒論 - 3 - 1.1 組合機床特點及發(fā)展?fàn)顩r - 3 - 1.2 槍鉆及深孔加工 - 4 - 1.2.1深孔加工的特點 - 4 - 1.2.2 槍鉆的特點 - 5 - 第二章 總體方案設(shè)計 - 7 - 2.1 組合機床通用部件特點及分類 - 7 - （1）動力部件： - 7 - （2）支撐部件： - 8 - （3）控制部件： - 8 - （4）輔助部件： - 8 - 2.2 設(shè)計基本要求 - 8 - 2.３ 總體方案 - 8 - 2.3.1 加工方案 - 8 - 2.3.2 參數(shù)計算： - 9 - 第三章　機械系統(tǒng)設(shè)計 - 10 - 3.1　組合機床通用部件選用 - 10 - 3.1.1 切削動力頭選擇 - 10 - 3.1.2 數(shù)控機械滑臺選擇 - 12 - 3.1.3 側(cè)底座的選擇 - 13 - 3.1.4 中間底座的選擇 - 14 - 3.2 刀具的選擇 - 14 - 3.2.1 深孔加工發(fā)展?fàn)顩r - 14 - 3.2.2 槍鉆工作原理 - 15 - 3.2.3 槍鉆的結(jié)構(gòu) - 16 - 3.2.4 槍鉆切削冷卻液霧化系統(tǒng) - 18 - 3.2.5 槍鉆刃磨設(shè)備 - 18 - 3.3 夾具設(shè)計 - 18 - 3.3.1 組合機床夾具機械部分設(shè)計 - 18 - 3.3.2 夾具液壓部分設(shè)計 - 20 - Pf≥P+∑△p1=5.5MPa - 22 - 第四章 PLC組合機床控制系統(tǒng) - 24 - 4.1 步進電機的選擇 - 24 - 4.1.1步進電動機工作原理 - 24 - 4.1.2 步進電動機驅(qū)動器 - 26 - 4.1.3 步進電動機控制器 - 27 - 4．2 PLC控制系統(tǒng) - 27 - 4.2.1 可編程序控制器組成及特點 - 27 - 4.2.2 PLC及脈沖模塊的選取 - 29 - 4.3 PLC編程 - 30 - 4.3.1 輸入繼電器（X） - 31 - 4.3.2 輸出繼電器（Y） - 32 - 4.3.3 輔助繼電器（M） - 32 - 4.3.4 定時器（T） - 32 - 4.3.5 數(shù)據(jù)寄存器 - 33 - 4.3.6 應(yīng)用指令(MOV，DRVA，CMP) - 34 - 第五章 CAXA電子圖板 - 38 - 參考文獻 - 42 - 結(jié)束語 - 43 - 數(shù)控機床準(zhǔn)靜態(tài)誤差和操作誤差評定 - 54 - 2 第一章 緒論 第一章 緒論 1.1 組合機床特點及發(fā)展?fàn)顩r 組合機床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件，對一種或若干種工件按預(yù)定的工序進行加工的機床。它能夠?qū)ぜM行多刀、多軸、多工位、同時加工。在組合機床上可以完成鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、車削、銑削、磨削及滾壓等工序，隨著組合機床技術(shù)的發(fā)展，它能夠完成的工藝范圍日益擴大。 組合機床與通用機床、專用機床相比，有如下特點： （1）組合機床由70～90%的通用零、部件組成，可以縮短設(shè)計和制造周期。而且在需要的時候，還可以部分或全部進行改裝，以組成適應(yīng)新加工要求的新設(shè)備。這就是說，組合機床有重新改裝的優(yōu)越性，其通用零、部件可以多次重復(fù)利用。組合機床是按具體加工對象專門設(shè)計的，可以按最佳工藝方案進行加工。 （2）在組合機床上可以同時從幾個方向采用多把刀具對幾個工件進行加工，是實現(xiàn)集中工序，提高生產(chǎn)效率的最好途徑。 （3）機床是在工件一次裝夾下用多軸實現(xiàn)多孔同時加工，有利于保證各孔相互之間的精度要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量；減少了工件工序間的搬運，改善了勞動條件；減少了占地面積。 （4）由于組合機床大多零、部件是同類的通用部件，簡化了機床的維護和修理。 （5）組合機床的通用部件可以組織專門工廠集中生產(chǎn)，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平，降低制造成本。 專用機床是隨著汽車工業(yè)的興起而發(fā)展起來的。在專用機床中某些部件因重復(fù)使用，逐步發(fā)展成為通用部件，因而產(chǎn)生了組合機床。 最早的組合機床是1911年在美國制成的，用于加工汽車零件。初期，各機床制造廠都有各自的通用部件標(biāo)準(zhǔn)。為了提高不同制造廠的通用部件的互換性，便于用戶使用和維修，1953年美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機床制造廠協(xié)商，確定了組合機床通用部件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，即嚴(yán)格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，但對部件結(jié)構(gòu)未作規(guī)定。 二十世紀(jì)70年代以來，隨著可轉(zhuǎn)位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動檢測和刀具自動補償技術(shù)的發(fā)展，組合機床的加工精度也有所提高。銑削平面的平面度可達0.05毫米／1000毫米，表面粗糙度可低達2.5～0.63微米；鏜孔精度可達IT7～6級，孔距精度可達0.03～0.02微米。 1.2 槍鉆及深孔加工 1.2.1深孔加工的特點 孔加工分為淺孔加工和深孔加工兩類，也包括介于兩者之間的中深孔加工。一般規(guī)定孔深L與孔徑d之比大于5的孔稱為深孔。深孔加工難度高、加工工作量大，已成為機械加工中的關(guān)鍵性工序。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，產(chǎn)品的更新?lián)Q代十分頻繁，新型高強度、高硬度的難加工零件不斷出現(xiàn)，無論是對深孔加工的質(zhì)量、加工效率、還是刀具的耐用度都提出了更高的要求。 隨著生產(chǎn)與科技的進步，深孔零件在材質(zhì)及毛坯制造、刀具材料、深孔加工機床、基礎(chǔ)理論研究、檢測等方面都有了較大的進展。深孔零件的材質(zhì)，過去多采用碳素結(jié)構(gòu)鋼。低合金鋼和高強度合金鋼。新型工程材料，如鈦合金、不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、陶瓷、塑料、碳素纖維塑料、復(fù)合材料等，開始在深孔零件上采用。新材料的逐步采用對深孔加工提出了新的技術(shù)難題。除了深孔零件的材質(zhì)外，零件的毛坯質(zhì)量也有了很大的改觀?，F(xiàn)在深孔零件的毛坯除了采用一般的鑄、鍛、軋制毛坯外，對于機械性能要求高的深孔零件，采用真空冶煉、電渣重熔等方法獲得高質(zhì)量的鑄錠后，進行壓力加工。在管坯生產(chǎn)中，除了一般的熱軋、冷軋無縫管材外，現(xiàn)已采用精軋無縫管材。冶金技術(shù)的進步，提高了材料的機械性能，使材料的加工性能發(fā)生了顯著的變化。鍛造及壓力加工技術(shù)的進步，使得毛坯材料的去除率大為降低。另外，由于熱處理技術(shù)的發(fā)展，深孔工件經(jīng)過熱處理后，在機械性能、結(jié)晶與顯微組織上都有了較大的改善，這直接影響著材料的再加工性。 深孔加工機床現(xiàn)在多采用常規(guī)機床，有深孔鉆鏜床、深孔磨床、珩磨機及通用車床改造成的深孔鉆鏜床。近年來，已出現(xiàn)數(shù)控深孔鉆鏜床（CNC）?，F(xiàn)代深孔加工技術(shù)的發(fā)展，面臨著多品種、小批量、新型工程材料及愈來愈高的精度要求的挑戰(zhàn)。由于機械工業(yè)產(chǎn)品多品種、小批量的比重日益增加，提高勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本成為深孔加工技術(shù)的中心課題。發(fā)展成組技術(shù)和開展計算機輔助設(shè)計及計算機輔助制造(CAD/CAM)，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)是提高深孔加工勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益的根本途徑。新型工程材料對深孔加工技術(shù)的挑戰(zhàn)，在于要求提高傳統(tǒng)深孔加工方法的水平，開發(fā)新的制造技術(shù)與工藝方法。愈來愈高的精度要求，需要發(fā)展深孔精密加工技術(shù)，并相應(yīng)地發(fā)展精密測量及精密機械設(shè)計。在實現(xiàn)深孔加工自動化生產(chǎn)中，需要解決加工中異常情況的監(jiān)控及自動檢測。目前，深孔加工中的這些問題，雖然落后于車削、銑削，但已有一些國家在開發(fā)研制，進行解決。 深孔鉆削的鉆桿細而長，小深孔鉆削的鉆桿更是細長，其剛度很低，因此，在設(shè)計小深孔刀具時，應(yīng)當(dāng)盡可能提高刀具(包括鉆頭和鉆桿)整體的剛度。在傳統(tǒng)設(shè)計中，鉆桿與鉆頭采用了方牙螺紋聯(lián)接方式。這要在管壁很薄的鉆桿上切出方牙螺紋，勢必更使細長鉆桿的強度和剛度下降。 如鉆削5.7mm深孔，鉆桿外徑只能取4mm，在壁厚不足1mm上再挖去一個方牙螺紋的深度0.25mm，螺紋聯(lián)接處的強度和剛度大大下降，在鉆削中，鉆桿常在螺紋聯(lián)接處扭斷。即使用小進給量以降低鉆削扭矩，也不能防止扭斷事故。 為解決這一問題，對于鉆削孔徑f12mm以下孔的鉆桿和鉆頭的聯(lián)接，可采用三種方法： 可以將鉆頭和鉆桿做成90鈄口，用低溫銀焊(有時也用銅焊)或粘接將鉆頭和鉆桿聯(lián)接。第二種是將鉆頭的鉆柄直徑車小，鉆桿聯(lián)接處的孔徑鏜大與鉆柄裝配成一體，再在接縫處用低溫焊接或用粘接固定。還可以將硬質(zhì)合金刀片做成 “T”型端面，而在鉆桿上相應(yīng)銑出“T”型溝槽，將刀片插入粘接固定。這3種方法經(jīng)多次試驗，均比方牙螺紋聯(lián)接的強度和剛度要好，可適當(dāng)加大小深孔鉆削時的進給量，生產(chǎn)效率也得到相應(yīng)的提高。 1.2.2 槍鉆的特點 槍鉆是一種比較古老的深孔加工刀具，最初用于加工槍管，故名為槍鉆。槍鉆是外排屑深孔鉆的代表，也是小直徑（Φ10mm以下）深孔加工的常用方法。目前，硬質(zhì)合金槍鉆的最小直徑為Φ1mm，鉆孔深度與直徑之比超過100，最大可至250，鉆孔精度為IT7～IT9，鉆孔表面粗糙度為2.3～2.4μm ，槍鉆具有一次鉆削就獲得良好精度和表面粗糙度低的特點，近幾年來，已用于精密淺孔和特殊孔加工。以 美 國 為 例，1963年槍鉆 加工的代表深度為250～300mm，1968年下降到100mm，進入20世紀(jì)70年代已降至25～37mm。槍鉆的使用范圍也在不斷擴大，不僅用于加工通孔，還可以加工盲孔、階梯孔、斜孔、半圓孔、斷續(xù)孔和疊層板孔等。 槍鉆是理想的深孔加工解決方案，采用槍鉆可以獲得精密的加工效果，加工出來的孔位置精確，直線度、同軸度高，并且有很高的表面光潔度和重復(fù)性。能夠方便的加工各種形式的深孔,對于特殊深孔，比如交叉孔，盲孔及平底盲孔等也能很好的解決。槍鉆除了應(yīng)用專業(yè)的深孔鉆機外，也可用于CNC機床上，在普通機床上稍作改動也可以實現(xiàn)深孔加工功能，這樣不必增加太多的成本就可以獲得一套理想的深孔加工的解決方案。 專業(yè)的槍鉆系統(tǒng)由深孔鉆機、單刃或雙刃的槍鉆及高壓冷卻系統(tǒng)組成，使用時，鉆頭通過導(dǎo)引孔或?qū)走M入工件表面，進入后，鉆刃的獨特結(jié)構(gòu)起到自導(dǎo)向的作用，保證了切削精度。 　　冷卻液通過鉆頭中間的通道到達切削部位，并將切屑從排屑槽帶出工件表面，同時對鉆刃進行冷卻和對背部的支撐凸臺進行潤滑，從而獲良好的加工表面和加工質(zhì)量。 - 44 - 第二章 總體方案設(shè)計 第二章 總體方案設(shè)計 2.1 組合機床通用部件特點及分類 組合機床是一種高效自動化的專用機床。它與一般的專用機床明顯的不同是，組合機床是由大量通用部件、通用零件和少量專用部件所組合而成的。因此，通用部件是組合機床發(fā)展的基礎(chǔ)。 組合機床通用部件是指在組合機床及其自動化設(shè)計、制造和使用中，有著統(tǒng)一聯(lián)系尺寸標(biāo)準(zhǔn)，可以相互更換使用的一些專用部件。這些部件經(jīng)過試制、試驗、鑒定而最后定型，因此它的結(jié)構(gòu)可靠，使用性能穩(wěn)定。因此，組合機床通用部件保證了組合機床的質(zhì)量，降低了成本，縮短了設(shè)計制造周期，促進了組合機床的發(fā)展。 組合機床的通用化程度是衡量組合機床水平的重要標(biāo)志，具有重要的經(jīng)濟意義。組合機床的通用化程度是指在組合機床的零件總數(shù)中，通用零件所占的百分比。目前一般可達到60~70%，最高可達到90%。 通用部件直接影響到組合機床及其自動線的自動化水平、加工精度、加工效率以及機床加工工藝方案和經(jīng)濟效益。因此，通用部件應(yīng)滿足下列要求： （1）通用部件應(yīng)具有高的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化水平，增加互換性，擴大通用部件的使用范圍。 （2） 通用部件在性能上應(yīng)具有先進性，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有足夠的剛度和精度，以滿足各方面加工的需要。 （3）通用部件在結(jié)構(gòu)和性能上應(yīng)滿足：使用方便、性能穩(wěn)定、工作可靠、制造容易、維修簡單和外形美觀等，還要考慮經(jīng)濟性。動力部件要求有適當(dāng)?shù)淖兯俜秶妥兯俜椒ā? （4）必須提高通用部件的靈活性，以適應(yīng)各種組合機床及其自動線的要求。 （5）必須增加通用部件的品種和規(guī)格，以滿足生產(chǎn)的發(fā)展，如發(fā)展適合中小批生產(chǎn)和品種加工組合機床的通用部件。 通用部件已經(jīng)定制為國家標(biāo)準(zhǔn)，并等效于國際標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計時，應(yīng)貫徹執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，我國有些企業(yè)有內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，但其主要技術(shù)參數(shù)及部件的聯(lián)系尺寸必須同意執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)部件通用化目標(biāo)。 根據(jù)通用部件的用途和特點，組合機床的通用部件主要分四大類： （1）動力部件： 動力部件用來實現(xiàn)組合機床的切削運動，是組合機床及其自動線的主要通用部件，用來實現(xiàn)組合機床的切削運動，如刀具的回轉(zhuǎn)運動是由主傳動動力部件來實現(xiàn)的；刀具的進給運動是由進給動力部件來完成的；將被加工工件由一個加工工位輸送到另一個加工工位的部件為輸送部件。動力部件主要有四種： 主運動動力部件：用來實現(xiàn)組合機床的切削運動。包括動力箱，多軸箱，單軸頭。 進給動力部件：實現(xiàn)刀具的進給運動。包括液壓滑臺，機械滑臺。 輸送工件動力部件：將工件由一個工位輸送到另一加工工位的部件。包括回轉(zhuǎn)工作臺，回轉(zhuǎn)鼓輪，移動工作臺和自動線輸送裝置等。 （2）支撐部件： 支撐部件包括：側(cè)底座、中間底座、立柱、立柱底座及各種支架等。支撐部件是組合機床及其自動線的基礎(chǔ)部件，用以安裝動力部件和夾具等。 （3）控制部件： 控制部件用來控制組合機床工作循環(huán)。例如液壓擋鐵、控制擋鐵、分級進給機構(gòu)、液壓控制裝置以及自動檢測裝置等。 （4）輔助部件： 輔助部件包括：潤滑、冷卻、排屑以及自動線的各種輔助裝置等。 2.2 設(shè)計基本要求 加工對象：汽車制動泵缸體孔 材質(zhì)：鑄鐵HT250； 直徑范圍：Φ15.87mm～Φ32mm； 長度范圍：60～240mm； 盲孔、平底（底角最大10） 技術(shù)參數(shù)：直線度Φ0.01 錐度 0.01 圓柱度 0.015 粗糙度 ≤0.8 主孔深度公差 ≤0.1 設(shè)計組合機床對該孔進行加工。 2.３ 總體方案 2.3.1 加工方案 采用槍鉆數(shù)控組合鉆床對汽車制動泵缸體孔進行加工，考慮到加工效率，采用對置雙工位設(shè)計，組合鉆床由鏜削動力頭、數(shù)控滑臺、PLC控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液壓夾具、側(cè)底座和中間底座組成，其中數(shù)控滑臺由步進電機控制，組合鉆床控制系統(tǒng)使用三菱PLC系統(tǒng)，夾具使用液壓夾緊方式。 2.3.2 參數(shù)計算： 由于目前還沒有適用于槍鉆加工的設(shè)計公式，其加工時切削參數(shù)和麻花鉆相似，所以采用麻花鉆計算公式對槍鉆切削參數(shù)進行計算。由機械設(shè)計手冊查得： 表2.1 組合機床設(shè)計中推薦的切削力、扭矩、及功率計算公式 刀具材料 工件材料 切削力 切削扭矩 切削功率 硬質(zhì)合金 灰鑄鐵 （1.1） （1.2） （1.3） 注：1.表中、均為軸向力，為圓周力。 2.表中未注明符號：—切削速度(m/min);—每分鐘進給量(mm/min);—加工（銑刀或鉆刀）直徑(mm);HB=190HRC 3.若需考慮工件材質(zhì)、切削速度、刀具角度變化影響時，表中公式應(yīng)做相應(yīng)的修正（修正系數(shù)），可參考《組合機床切削用量計算圖》及有關(guān)切削用量手冊。 根據(jù)以上表中公式計算如下： 切削力： 切削扭矩： 切削功率： 第三章 機械系統(tǒng)設(shè)計 第三章　機械系統(tǒng)設(shè)計 3.1　組合機床通用部件選用 3.1.1 切削動力頭選擇 動力頭分為銑削頭、鏜削頭、鉆削頭和鏜孔車端面動力頭。根據(jù)槍鉆的切削特性，選擇鏜削頭作為機床的切削動力頭。 鏜削動力頭由鏜削頭主軸部件與同規(guī)格的傳動裝置及滑臺配套組成鏜削動力頭，對鑄鐵、鋼及有色金屬工件進行粗精鏜孔，鏜孔精度可以達到IT7級，加工表面粗糙度可達1.6μm。 鏜削共力頭有三種傳動形式，頂置式齒輪傳動其轉(zhuǎn)速范圍屬于中低速，適用于各種材料零件的粗精鏜孔。皮帶傳動裝置其轉(zhuǎn)速范圍為屬于高速，適用于各種零件材料的半精鏜孔和精鏜孔。它只要用于頂置式鏜削頭。尾置式齒輪傳動裝置其轉(zhuǎn)速范圍屬于中速，主要用于配置于尾置式鏜削頭，裝在立式機床上，對各種零件進行粗精鏜孔。 根據(jù)(1.3)式計算出的,查閱有關(guān)資料選取1TA20型號鏜削動力頭，其技術(shù)參數(shù)如下： 表3.1 1TA20鏜削頭的技術(shù)性能 型號 功率(kW) 主軸端號 主軸前軸承軸頸（mm） 傳動裝置 主軸轉(zhuǎn)速(r/min) 1TA20 1.5 4 Φ60 頂置 1NGb12 低速 80～400 高速 200～1000 膠帶 1NG20 800～3200 尾置 1NGc20 200～1000 根據(jù)要求轉(zhuǎn)速800～1000r/min,可以選用頂置1NGb12傳動裝置，該傳動裝置為齒輪式傳動，適用于各種材料零件的粗精鏜孔。 　1TA20鏜削頭聯(lián)系尺寸如下： 圖3.1 鏜削頭聯(lián)系尺寸圖 表3.2 1TA20鏜削頭聯(lián)系尺寸 型號 尺寸（mm） 1TA20 B B1 B2 L L1 L2 L3 200 170 226 320 125 155 40 L4 L5 H H1 H2 H3 C d 285 45 100 236 438 213 100 Φ14 表3.3 鏜削頭的主軸端部尺寸 型號 尺寸(mm) 莫式錐度號4 D D1 D2 D3 d1 d2 d3 B L L1 1TA20 110 31.267 63.512 82.56 14 M10 M6 20 12.5 5 由于是對置雙工位設(shè)計，所以選擇兩臺1TA20鏜削動力頭對工件進行加工。 3.1.2 數(shù)控機械滑臺選擇 交流伺服機械滑臺除具有一般機械滑臺的用途外，它還使組合機床及其自動線的進給系統(tǒng)具有易調(diào)、快速調(diào)節(jié)的優(yōu)點，通過改裝步進電機，可以實現(xiàn)滑臺位控準(zhǔn)確及人機對話等。 考慮到要應(yīng)用PLC系統(tǒng)對組合鉆床進行控制，選用交流伺服數(shù)控機械滑臺，并將該滑臺交流伺服電機改裝為步進電機，用PLC控制步進電機來完成加工控制，其中滑臺的快進、工進、定位由步進電機來控制。 考慮到槍鉆換刀空間、側(cè)底座裝配尺寸、工件尺寸范圍以及夾具尺寸，應(yīng)該選取足夠行程的數(shù)控滑臺，經(jīng)過計算選用最大行程為400的NC-1HJ25Ⅱ型交流伺服數(shù)控機械滑臺。主要聯(lián)系尺寸表、圖如下： 圖3.2 數(shù)控滑臺聯(lián)系尺寸圖 表3.4 NC-1HJ25Ⅱ型交流伺服數(shù)控機械滑臺聯(lián)系尺寸 型號 B B1 B4 L L1 L2 L3 NC-1HJ25 250 250 79.5 400 500 940 95 L4 H b1 C n d 403 250 220 55 4 M12 由于是對置雙工位設(shè)計，所以選擇兩臺NC-1HJ25Ⅱ型交流伺服數(shù)控機械滑臺， 查得該數(shù)控機械滑臺的滾珠絲杠直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm,長度為900mm。 根據(jù)滾珠絲杠以及最大切削力計算步進電機的扭矩，通過扭矩選擇步進電機，查得有關(guān)資料如下： M=Ptan(λ+ρ)d2/2； 其中P為最大切削力，λ為導(dǎo)程，d2為中徑； 計算得：M=2.87 N/m 由于永磁式步進電機的轉(zhuǎn)矩較小，根據(jù)扭矩選擇日本東方二相混合式步進電機PH2610（轉(zhuǎn)矩為3.2M）。 3.1.3 側(cè)底座的選擇 側(cè)底座也稱為臥式床身，在臥式組合機床中用來安裝動力滑臺。側(cè)底座的長度是由動力滑臺的長度決定的，動力滑臺有幾種行程，側(cè)底座在長度上就有幾種規(guī)格，新的系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定側(cè)底座的高度為560或630mm，但是當(dāng)組合機床需要較低的高度時，其高度可以按450mm設(shè)計。為了適應(yīng)機床一定的裝料高度，對于不同的被加工零件的機床，在側(cè)底座和滑座之間可以增加調(diào)整墊。 本系列滑臺側(cè)底座長度按滑臺行程長度分型并與其配套?；惭b在側(cè)底座上，側(cè)底座與中間底座用螺釘及銷聯(lián)結(jié)成一體。滑臺預(yù)測底座之間裝有5mm后的調(diào)整墊，采用調(diào)整墊對機床的制造和維修都方便。 根據(jù)數(shù)控機械滑臺NC-1HJ25Ⅱ行程選擇兩臺配套的滑臺側(cè)底座1CC251Ⅱ,滑臺行程400mm，側(cè)底座高度為560mm。其聯(lián)系尺寸為： 圖3.3 1CC251Ⅱ型滑臺側(cè)底座聯(lián)系尺寸圖 表3.5　1CC251Ⅱ型滑臺側(cè)底座聯(lián)系尺寸（mm） 型號 名義尺寸 b 滑臺行 程 L1 L2 B B1 H 1CC251Ⅱ 250 270 400 1050 650 450 395 560 側(cè)底座與中間底座之間用M20的緊固螺栓連結(jié)，定位方式為錐銷（Φ20）定位，機床精度調(diào)整好之后，打錐銷定位。組合機床在機床制造廠拆開運到用戶廠后，要重新調(diào)整精度，重新打錐銷定位。采用這種錐銷定位方式時，側(cè)底座與滑臺之間在緊固螺栓和定位銷處可以采用一個5mm厚的調(diào)整墊。采用調(diào)整墊后，對機床的維修就方便了?；_導(dǎo)軌磨損后，只需取下滑座，將導(dǎo)軌面重新修磨，并更換調(diào)整墊，使之恢復(fù)到應(yīng)有的高度即可。但是在出廠時，這些調(diào)整墊應(yīng)保持等高。 3.1.4 中間底座的選擇 中間底座是用于安裝輸送部件和夾具的支撐部件。它可以與側(cè)底座、支架和立柱等相聯(lián)結(jié)。中間底座在配制組合機床時往往不能用一種系列滿足不同使用要求，因此，中間底座無標(biāo)準(zhǔn)化系列，尚需根據(jù)情況設(shè)計專用的中間底座。 中間底座其側(cè)面可以安裝側(cè)底座、支架等支撐部件，上面可安裝夾具或回轉(zhuǎn)工作臺。中間底座的上平面開有較大的孔，鐵屑能通過該孔落入中部的儲屑腔中。機床在需要冷卻時，中間底座的后側(cè)面可以裝冷卻泵，底腔即可作為儲存冷卻液腔。在中間底座的中部設(shè)網(wǎng)狀隔板，使鐵屑留在上部，冷卻液通過網(wǎng)狀隔板流入底腔。 根據(jù)機床的配置形式不同，中間底座有多種多樣，如雙面臥式組合機床的中間底座兩側(cè)面都可以安裝側(cè)底座；三面臥式組合機床的中間底座，可三面安裝側(cè)底座；總之，隨著機床形式不同，中間底座在結(jié)構(gòu)、尺寸等方面也就有著不同的要求。中間底座生產(chǎn)批量較小，大部分作為專用件處理。中間底座的高度為630mm，也可以根據(jù)具體要求，選為560mm或710mm。 選擇雙面中間底座，在中間底座兩側(cè)安裝兩側(cè)底座，由于側(cè)底座高為560mm，所以選擇560mm作為中間底座的高度，寬度選用國家標(biāo)準(zhǔn)710mm(如表3.8)，中間底座的長度由夾具尺寸及安裝位置決定，實際長度為2000mm。 表3.8 中間底座選擇尺寸（mm） 中間底座長 中間底座寬 800 500 560 630 710 800 900 1000 630 710 800 900 1000 1250 710 800 900 1000 >1250 710 800 900 1000 3.2 刀具的選擇 3.2.1 深孔加工發(fā)展?fàn)顩r 最早用于加工金屬的深孔鉆頭是扁鉆，它發(fā)明于18世紀(jì)初。1860年美國人對扁鉆做了改進，發(fā)明了麻花鉆，在鉆孔領(lǐng)域邁出了重要的一步。但用麻花鉆鉆深孔時，不便于冷卻與排屑，生產(chǎn)效率很低。隨著槍炮生產(chǎn)的迅速發(fā)展，在20世紀(jì)初期，德、英、美等國家的軍事工業(yè)部門先后發(fā)明了單刃鉆孔工具，因用于加工槍孔而得名槍鉆。槍鉆也稱為月牙鉆、單刃鉆及外排屑深孔鉆。槍鉆鉆桿為非對稱形，故扭轉(zhuǎn)強度差，只能傳遞有限扭矩，適用于小孔零件加工生產(chǎn)，效率較低。在第二次世界大戰(zhàn)前和戰(zhàn)爭期間，由于戰(zhàn)爭的需要，槍鉆已不能滿足高生產(chǎn)效率的要求，在1943年，德國海勒公司研制出畢斯涅耳加工系統(tǒng)(即我國常稱的內(nèi)排屑深孔鉆削系統(tǒng))。戰(zhàn)后，英國的維克曼公司、瑞典的卡爾斯德特公司、德國的海勒公司、美國的孔加工協(xié)會、法國的現(xiàn)代設(shè)備商會等聯(lián)合組成了深孔加工國際孔加工協(xié)會，簡稱BTA協(xié)會。經(jīng)過他們的努力，這種特殊的加工方法又有了新的發(fā)展，并被定名為BTA法，在世界各國普遍應(yīng)用。后來瑞典的山特維克公司首先設(shè)計出可轉(zhuǎn)位深孔鉆及分屑多刃錯齒深孔鉆，使BTA法又有了新的飛躍。BTA法存在著切削液壓力較高，密封困難等缺點，為克服這些不足，1963年山特維克公司發(fā)明了噴吸鉆法。這是一種巧妙應(yīng)用噴吸效應(yīng)的方法，可以采用較低的切削液壓力，使切屑在推、吸效應(yīng)下容易排出，有利于系統(tǒng)的密封。但是噴吸鉆法本身也有缺點，它使用兩根鉆管，使排屑空間受到限制，加工孔徑一般不能小于18nm。由于特殊的切削液供給方式，缺乏了BTA法中切削液對鉆桿振動的抑制作用，刀桿易擦傷，其系統(tǒng)剛性和加工精度要略低于BTA法。20世紀(jì)70年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出的DF法為單管雙進油裝置，它是把BTA法與噴吸鉆法兩者的優(yōu)點結(jié)合起來的一種加工方法，用于生產(chǎn)后得到了滿意的結(jié)果，目前廣泛應(yīng)用于中、小直徑內(nèi)排屑深孔鉆削。 3.2.2 槍鉆工作原理 深孔槍管鉆最初是應(yīng)用于兵器制造業(yè),因此得名槍鉆,隨著科技的不斷發(fā)展和深孔加工系統(tǒng)制造商的不懈努力,深孔加工已經(jīng)成為一種方便高效的加工方式。并被廣泛應(yīng)用于如:汽車工業(yè)、航天工業(yè)、結(jié)構(gòu)建筑工業(yè)、醫(yī)療器材工業(yè)、模具/刀具/治具工業(yè)及油壓、空壓工業(yè)等領(lǐng)域。 　　槍鉆是理想的深孔加工解決方案，采用槍鉆可以獲得精密的加工效果，加工出來的孔位置精確，直線度、同軸度高，并且有很高的表面光潔度和重復(fù)性。能夠方便的加工各種形式的深孔,對于特殊深孔，比如交叉孔，盲孔及平底盲孔等也能很好的解決。槍鉆除了應(yīng)用專業(yè)的深孔鉆機外，也可用于CNC機床上，在普通機床上稍作改動也可以實現(xiàn)深孔加工功能，這樣不必增加太多的成本就可以獲得一套理想的深孔加工的解決方案。 專業(yè)的槍鉆系統(tǒng)由深孔鉆機、單刃或雙刃的槍鉆及高壓冷卻系統(tǒng)組成，使用時，鉆頭通過導(dǎo)引孔或?qū)走M入工件表面，進入后，鉆刃的獨特結(jié)構(gòu)起到自導(dǎo)向的作用，保證了切削精度。 冷卻液通過鉆頭中間的通道到達切削部位，并將切屑從排屑槽帶出工件表面，同時對鉆刃進行冷卻和對背部的支撐凸臺進行潤滑，從而獲良好的加工表面和加工質(zhì)量。 為便于操作，高壓冷卻液從機床后端提供，鉆頭通過旋轉(zhuǎn)夾持套固定在主軸上，可以選擇工件旋轉(zhuǎn)和刀具旋轉(zhuǎn)的形式位置的調(diào)整也可選擇主軸移動或工作臺移動的方式。 機床上設(shè)有切屑回收箱，切屑由此排出，并將冷卻液回收冷卻循環(huán)使用，在回收箱前端裝有導(dǎo)引套從而引導(dǎo)鉆頭進入工件表面。對于鉆頭長度超過無支撐長度的情況，還要適當(dāng)增加中間支撐。見圖3.4 圖3.4　槍鉆加工系統(tǒng) 3.2.3 槍鉆的結(jié)構(gòu) 圖3.5 槍鉆的結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)的槍鉆是由超硬鎢鋼鉆刃、航天鋼材經(jīng)熱處理制成的刀身及鋼制驅(qū)動柄經(jīng)高精度的銀焊、銅焊組合而成的，各組成部分特點如下： （1）鉆刃 圖3.6 鉆刃 鉆刃是整個槍鉆的關(guān)鍵部分，其獨特科學(xué)的組合結(jié)構(gòu)保證在完成切削工作同時還起到自導(dǎo)向的作用， 可以通過一次貫穿得到一個高精度的深孔，鉆刃有兩個基本度，我們可以根據(jù)被切削工件的材料及形式來選擇最恰當(dāng)?shù)慕M合，以便于工作更好的平衡切削力和斷屑，并將切削力傳遞給支撐凸肩，保證良好的直線度和同軸度。鉆刃有很小的倒錐度并且直徑較刀身略大，可以保證鉆身可以在切削孔內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)而不會磨擦孔內(nèi)壁的切削表面，根據(jù)不同要求，刃部有單圓孔、腎型孔各雙圓孔的通道同刀身的油道連接，高壓的冷卻液可以通過此通道到達切削點，并將切屑帶出工件。 （2）刀身 刀身采用航天工業(yè)專用合金鋼材并經(jīng)熱處理制成，刀身有110-120度的V型槽，高壓切削冷卻液經(jīng)驅(qū)動柄、刀身油孔到達刃部后從此V型槽排出孔外，并將切屑帶走，為保證切削的直線度和同軸度，刀身必須有足夠的強度以便在較小的扭轉(zhuǎn)變形下提供切削所需的扭矩，同時刀身也必須有足夠的韌性，這樣才能吸收刀身高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的震動。 （３）驅(qū)動柄 驅(qū)動柄完全依照標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)加工法的規(guī)定制造。其與刀身相接的頸部處有消除應(yīng)力的光滑弧狀凹槽以避免因應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞，驅(qū)動柄為圓柱形，側(cè)面一般加工有兩個平面，供夾持套筒鎖緊整個鉆頭本體。由于槍鉆在工作中轉(zhuǎn)速高，并且切削冷卻液的壓力很高，因此驅(qū)動柄的設(shè)計很重要，盡量增大驅(qū)動柄的長度可以增加槍鉆的剛度和軸度，驅(qū)動柄可以根據(jù)自己的需要在廠家訂做。 圖3.7 鉆尾端驅(qū)動柄支持套筒 3.2.4 槍鉆切削冷卻液霧化系統(tǒng) 切削冷卻液及其霧化系統(tǒng)，是深孔精密切削加工不可或缺的環(huán)節(jié)；加工過程中可以根據(jù)鉆削尺寸的不同，調(diào)整配合不同的油液輸送壓力，通過貫穿鉆頭全長的中心輸送管道，將冷卻液強制輸送至切削點，以達到冷卻刀刃、潤滑刀肩的效果，并將切屑強制帶出工作物之外。冷卻液霧化系統(tǒng)是隨槍鉆、夾持套筒一起在廠家訂做的，節(jié)省了設(shè)計時間。 3.2.5 槍鉆刃磨設(shè)備 刃磨是槍鉆使用過程中的一個重要環(huán)節(jié),如何高效、省時省力并最大限度的減少鉆頭的刃磨損耗是這個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。槍鉆磨損后，刃磨時必須在萬能刃具磨床或?qū)Ｓ萌心C床上將槍鉆裝在專用夾具上進行刃磨,每次刃磨只修磨內(nèi)外角的后刃面。必須保證正確的幾何角度和刃尖位置。 3.3 夾具設(shè)計 3.3.1 組合機床夾具機械部分設(shè)計 組合機床夾具是組合機床的重要組成部分，用于實現(xiàn)對被加工零件的準(zhǔn)確定位、加壓、對刀具的導(dǎo)向以及裝卸工件時的限位等。組合機床的加工精度基本上是由夾具來保證的，因此它與一般機床夾具不同。一般機床夾具只是機床的輔助部件。此外，不要把組合機床夾具和一般的組合夾具混淆起來。組合夾具用于萬能機床上為完成某一道工序加工，用一些標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的元件組裝成的定位夾緊裝置。用完后，卸下這些元件可以重新組裝成新的加壓裝置。而組合機床夾具是為某種零件的特定工序而專門設(shè)計的，它是由標(biāo)準(zhǔn)件，通用件以及專門設(shè)計的元件構(gòu)成的專用構(gòu)件，是組合機床的一個重要組成部分。 組合機床夾具按結(jié)構(gòu)特點，可以分為單工位夾具和多工位夾具兩大類。單工位夾具是指在一個工位上完成加工工序的機床夾具。按被加工零件結(jié)構(gòu)和要求，單工位夾具有固定的，帶滾道或浮動輥道的，帶水盆和小車等形式。多工位組合機床夾具是指工件需要在幾個工位上順序或平行－順序加工的機床夾具。按移位方法它又可分為：固定式多位夾具、回轉(zhuǎn)夾具、移動工作臺夾具和回轉(zhuǎn)鼓輪夾具等。此外按操縱方式又可分為：手動定位夾緊的組合機床夾具和自動定位夾緊的組合機床夾具。由于組合機床是多面、多刀、多工序同時加工，在加工過程中產(chǎn)生很大的切削力，所以要求夾具要有足夠的剛性和夾壓力。一般在夾具上都設(shè)有引導(dǎo)刀具的導(dǎo)向裝置，以保證工件的加工精度。有的夾具要求具有自動定位機構(gòu)和夾壓機構(gòu)，實現(xiàn)定位和夾壓的自動化，并設(shè)有動作完成的檢查訊號，以減輕工人的勞動強度和提高生產(chǎn)率。在所有的夾具上都要有足夠的空間，以便排除切屑，以便與維修和更換易損零件等。 機床夾具是根據(jù)被加工零件專門設(shè)計的，所以形式各不相同，下圖是被加工的零件圖形。 圖3.8 工件圖 由于工件定位端是圓柱面和立平面組成，所以在前端設(shè)計套筒定位、后端用夾緊液壓缸帶動頂尖夾緊，通過摩擦力限制工件轉(zhuǎn)動。 工件夾具由底座、回收箱、導(dǎo)套、前定位支撐板、頂尖及頂尖套筒、液壓系統(tǒng)組成，其中底座采用鋼板壓制而成，起支撐作用；回收箱用來回收冷卻液和鐵屑，并由下部方孔流入中間底座的回收箱內(nèi)；導(dǎo)套采用通用導(dǎo)套，對刀具起到支撐和導(dǎo)向的作用，刀具加工完工件后并不推出回收箱，而是停留在導(dǎo)套內(nèi)，等到工件換完后繼續(xù)加工；前定位支撐板用于工件定位，要求控制定位精度；夾緊裝置使用夾緊液壓缸帶動頂尖夾緊工件。由于工件直徑較小，且鉆削時力和力矩均較小，夾具各部件及支撐剛度和強度較大，根據(jù)經(jīng)驗強度、剛度符合要求，不必再校核了。 圖3.9 夾具組成 3.3.2 夾具液壓部分設(shè)計 （１）液壓缸的選擇： 組合機床的加緊液壓缸已進行了通用化系列化設(shè)計，根據(jù)資料選用T50系列加緊液壓缸，這種液壓缸的缸體采用無縫鋼管，兩端是嵌入式的，在缸體的兩端內(nèi)壁開有環(huán)槽，將段改放入后旋轉(zhuǎn)90度，端蓋的邊沿進入缸體兩端的環(huán)槽，即可承受軸向力。液壓缸和夾具的連接方式是通過兩個半圓鍵用法蘭盤連接，可以向前固定，也可以向后固定。采用角鐵形式的連接件后，可以變地腳式的固定。 計算夾緊力時，應(yīng)考慮到切削余量有可能超過計算值以及材質(zhì)的不均勻性。因此，加緊力的實際值應(yīng)相對于計算值有1.5～2的安全系數(shù) 由上面計算得到的軸向切削力 F=1743.803N， 所以實際夾緊力 F≤1743.8032=3487.604N 根據(jù)實際夾緊力和夾緊行程選擇　T5033Ⅲ型夾緊液壓缸 表3.9 夾緊液壓缸的技術(shù)參數(shù) 型號 液壓直徑 (mm) 活塞桿直徑 行程(mm) 大腔工作面積 小腔工作面積 活塞桿推力 活塞桿拉力 油的工作壓力 5MPa 5 MPa T5033Ⅲ 32mm 16mm 63mm 8cm2 6cm2 4kN 3kN （2）液壓站其它部件選擇 在工件加工過程中可以采用三位兩通的電磁閥進行控制，形成卸荷回路。所謂卸荷，是指液壓泵在很低的壓力下運轉(zhuǎn)。此時泵的輸出功率接近于零。 需要使回路卸荷,以節(jié)省動力消耗,可以選取M型電磁換向閥,原理圖如下圖: 圖3.10利用M型換向閥使泵卸荷的回路 當(dāng)換向閥置于中間時，液壓油不經(jīng)過液壓缸直接回到油缸，此時油的壓力接近于零，所以可以保證液壓泵輸出功率接近于零。 由于需要控制兩個液壓缸體，所以采用分流閥控制的同步回路， 圖3.11節(jié)流式同步運動回路 如圖3.11為用分流閥控制兩個并聯(lián)液壓缸同步運動回路。兩個尺寸相同的液壓缸的進油路上，串聯(lián)分流閥。該分流閥能保證進入兩液壓缸的流量相同，從而實現(xiàn)速度同步。其工作原理如下：分流閥中左右兩個固定節(jié)流口的尺寸和甜點相同，閥芯可以依據(jù)液壓缸負載變化自由地軸向移動，來調(diào)節(jié)左右兩個節(jié)流口的開度，保證閥芯左端壓力和右端壓力相等從而使進入兩液壓缸的流量相同，來實現(xiàn)兩缸速度同步。例如，當(dāng)閥芯停留在某一平衡位置（p1=p1）時,若左液壓缸的負載增大，p1也會隨之增大。但是，p1在增大時，由于p1＞p2，使閥芯右移，右節(jié)流口變大，左節(jié)流口變小，結(jié)果使p1減小，p2增大，直到p1=p2時閥芯停留在新的平衡位置。只要，左右兩固定節(jié)流口上的工作壓差相等，流過節(jié)流閥的流量就相等，保證兩缸的速度同步。反向時，它們分別通過各自的單向閥回油，不受分流閥控制。 因為液壓系統(tǒng)是指使用來夾緊工件，速度根據(jù)經(jīng)驗選取一個合適的數(shù)值，選取為20mm/s，如果取進油路總的壓力損失為，則液壓泵最高工作壓力為： Pf≥P+∑△p1=5.5MPa 因此，液壓泵的流量可以取為5.5+5.50.25（MPa）=6.875MPa 泵的流量為 根據(jù)所擬定的液壓系統(tǒng)原理圖，計算分析通過各液壓閥油液的最高壓力和最大流量，選擇個各液壓閥的型號規(guī)格。 油管內(nèi)徑一般可參照所選元件油口尺寸決定，也可以按管路允許的流速進行計算，油箱容量的確定如下： 圖3.12中1為電機和液壓泵油缸，2為分流閥，3為溢流閥，4為調(diào)速閥，5為單向閥閥，6為壓力表，7為電磁換向閥，8為液壓缸，9為油缸。 按照習(xí)慣和經(jīng)驗合理的安排各液壓元件的位置和技術(shù)參數(shù)。根據(jù)液壓原理圖可以由廠家訂做液壓站。 圖3.12 液壓原理圖 第四章 PLC組合機床控制系 第四章 PLC組合機床控制系統(tǒng) 4.1 步進電機的選擇 4.1.1步進電動機工作原理 步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。 永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。 步進電動機實質(zhì)上是一種多相或單相同步電動機。單相步進電動機由單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進電動機由多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，再經(jīng)功率放大后分別送入步進電動機各相繞組，每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進電動機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比，連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響。 （1）步進電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 （2）步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語： a、步距角精度： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。 b、失步： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 c、失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 d、最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 e、最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 f、運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 g、電機的共振點： 步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 （3）步進電機的一些特點： a. 一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 b.步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 c.步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 d.步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 本系統(tǒng)選用的步進電機為日本東方二相混合式步進電機，步矩角1.8。定子上有A、B兩相繞組。若以（A）表示對A相繞組正向通電，以（-A）表示對A相繞組反向通電，按（A）→（B）→（-B）→（-A）…的次序輪流通電，電動機將每次轉(zhuǎn)過1.8。 4.1.2 步進電動機驅(qū)動器 步進電動機不能直接接到直流或工頻交流電源上工作，必須使用專用的步進電動機驅(qū)動控制器，它一般由脈沖發(fā)生分配控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成，將由控制器來的符合要求的脈沖串按時序要求分配給各相，放大后變成功率電流用以驅(qū)動步進電動機。本系統(tǒng)所用驅(qū)動器為意大利RTA公司UCM系列中的UCM03，該驅(qū)動器為單電源供電恒流斬波式，即使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、或高頻工作時均保持額定值，使電動機具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。驅(qū)動器內(nèi)部帶環(huán)形脈沖分配器，若使電機運行只需輸入單相脈沖，然后由環(huán)形分配器按一定的順序?qū)⒚}沖加到控制電機繞組各端的開關(guān)管的控制極上。 4.1.3 步進電動機控制器 步進電動機的工作過程一般由控制器控制?？刂破靼凑赵O(shè)計者的要求完成一定的控制過程、使驅(qū)動器按照要求的規(guī)律驅(qū)動步進電動機運行。簡單的控制過程可以用各種邏輯電路來實現(xiàn)，但線路一般較復(fù)雜，成本高。自從微處理器問世以來，給步進電動機控制器設(shè)計開辟了新的途徑。各種PCL的迅速發(fā)展和普及，為設(shè)計功能很強而且價格低的步進電動機控制器提供了先進的技術(shù)和充足的貨源。用PLC可以用很低的成本實現(xiàn)很復(fù)雜的控制方案，而且由于PLC編程的靈活性、使修改控制方案成為輕而易舉的事情，只要重新編制程序或修改部分參數(shù)即可。 4．2 PLC控制系統(tǒng) 4.2.1 可編程序控制器組成及特點 可編程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，簡稱PC）。與個人計算機的PC相區(qū)別，用PLC表示。 PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員